desarrollo de nuevos materiales inteligentes para ... · 25 de octubre de 2016 mesa de proyectos de...
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25 de octubre de 2016
MESA DE PROYECTOS DE INNOVACIÓN
Desarrollo de Nuevos Materiales Inteligentes para
Pavimentos del Futuro
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Fernando Moreno NavarroDr. Ingeniero de Caminos, C y P
Profesor de Materiales
Subdirector LabIC.UGR
ETSICCP. Universidad de Granada
1. Introducción
2. Nuevos Materiales:
Mechanomutable Asphalts
3. Próximos pasos
LabIC.UGR
4. Conclusiones
CONTENIDOS
Laboratorio de Ingeniería de la Construcción
E.T.S.de Ingeniería de Caminos, C y P
Universidad de Granada
1. Introducción
29ª
Se
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la
Ca
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Inn
ova
ció
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a M
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1. Introducción
4
A lo largo de los años las carreteras han ido evolucionando…
1. Introducción
5
A lo largo de los años las carreteras han ido evolucionando…
CARRETERAS de 1ª GENERACIÓN: Las calzadas y caminos
1. Introducción
6
A lo largo de los años las carreteras han ido evolucionando…
CARRETERAS de 1ª GENERACIÓN: Las calzadas y caminos
CARRETERAS de 2ª GENERACIÓN: Los caminos asfaltados (carreteras)
1. Introducción
7
A lo largo de los años las carreteras han ido evolucionando…
CARRETERAS de 1ª GENERACIÓN: Las calzadas y caminos
CARRETERAS de 2ª GENERACIÓN: Los caminos asfaltados (carreteras)
CARRETERAS de 3ª GENERACIÓN: Las carreteras de alta capacidad
(autovías)
1. Introducción
8
A lo largo de los años las carreteras han ido evolucionando…
CARRETERAS de 1ª GENERACIÓN: Las calzadas y caminos
CARRETERAS de 4ª GENERACIÓN: Las carreteras/autovías sostenibles
REUTILIZACIÓN DE RESIDUOS (RAP, PNFU, ETC.) MEZCLAS DE BAJA TEMPERATURA
PAVIMENTOS DESCONTAMINANTES PAVIMENTOS REDUCTORES DE RUIDO
CARRETERAS de 2ª GENERACIÓN: Los caminos asfaltados (carreteras)
CARRETERAS de 3ª GENERACIÓN: Las carreteras de alta capacidad
(autovías)
1. Introducción
9
A lo largo de los años las carreteras han ido evolucionando…
CARRETERAS de 1ª GENERACIÓN: Las calzadas y caminos
CARRETERAS de 5ª GENERACIÓN: Las carreteras/autovías inteligentes
CARRETERAS de 4ª GENERACIÓN: Las carreteras/autovías sostenibles
CARRETERAS de 2ª GENERACIÓN: Los caminos asfaltados (carreteras)
CARRETERAS de 3ª GENERACIÓN: Las carreteras de alta capacidad
(autovías)
1. Introducción
10
Las carreteras ya no se conciben únicamente como infraestructuras garantizar la accesibilidad territorial de bienes y personas…
1. Introducción
11
…además han de aportar un valor añadido que optimice la
inversión realizada y el espacio ocupado
Las carreteras ya no se conciben únicamente como infraestructuras garantizar la accesibilidad territorial de bienes y personas…
1. Introducción
12
Las carreteras ya no se conciben únicamente como infraestructuras garantizar la accesibilidad territorial de bienes y personas…
…además han de aportar un valor añadido que optimice la
inversión realizada y el espacio ocupado
En los próximos años las necesidades socio-ecocómicas
asociadas a las infraestructuras de carreteras van a cambiar…
Las carreteras son el elemento fundamental para canalizar los cambios globales que
estamos sufriendo
Las carreteras deben de integrarse en el entorno y de utilizar su tecnología para mejorar la eficiencia del servicio que presta y cubrir
mejor las necesidades de los usuarios
1. Introducción
13
Futuras necesidades de la carretera…
1. Introducción
14
Futuras necesidades de la carretera…
DURABILIDAD/ MINIMIZAR
COSTES DE MANTENIMIENTO
1. Introducción
15
Futuras necesidades de la carretera…
DURABILIDAD/ MINIMIZAR
COSTES DE MANTENIMIENTO
MAXIMIZAR
SEGURIDAD VIAL
1. Introducción
16
Futuras necesidades de la carretera…
DURABILIDAD/ MINIMIZAR
COSTES DE MANTENIMIENTO
CONTROL TRÁFICO/
ESTADO DEL FIRME
MAXIMIZAR
SEGURIDAD VIAL
1. Introducción
17
Futuras necesidades de la carretera…
DURABILIDAD/ MINIMIZAR
COSTES DE MANTENIMIENTO
CONTROL TRÁFICO/
ESTADO DEL FIRME
AUTOSUFICIENCIA
ENERGÉTICA
MAXIMIZAR
SEGURIDAD VIAL
1. Introducción
18
Futuras necesidades de la carretera…
DURABILIDAD/ MINIMIZAR
COSTES DE MANTENIMIENTO
CONTROL TRÁFICO/
ESTADO DEL FIRME
AUTOSUFICIENCIA
ENERGÉTICACIRCULACIÓN DE
VEHÍCULOS AUTÓNOMOS
MAXIMIZAR
SEGURIDAD VIAL
1. Introducción
19
Futuras necesidades de la carretera…
DURABILIDAD/ MINIMIZAR
COSTES DE MANTENIMIENTO
CONTROL TRÁFICO/
ESTADO DEL FIRME
AUTOSUFICIENCIA
ENERGÉTICACIRCULACIÓN DE
VEHÍCULOS AUTÓNOMOS
COMUNICACIÓN CON
USUARIOS
MAXIMIZAR
SEGURIDAD VIAL
1. Introducción
20
Futuras necesidades de la carretera…
DURABILIDAD/ MINIMIZAR
COSTES DE MANTENIMIENTO
CONTROL TRÁFICO/
ESTADO DEL FIRME
AUTOSUFICIENCIA
ENERGÉTICACIRCULACIÓN DE
VEHÍCULOS AUTÓNOMOS
COMUNICACIÓN CON
USUARIOS
MAXIMIZAR
SEGURIDAD VIAL
Necesidad de empezar a desarrollar nuevos materiales
adaptados a dichas necesidades...
1. Introducción
21
Nueva generación de materiales inteligentes…
1. Introducción
22
Nueva generación de materiales inteligentes…
MATERIALES AUTO-
REPARABLES
1. Introducción
23
Nueva generación de materiales inteligentes…
MATERIALES AUTO-
REPARABLES
MATERIALES PARA
SEGURIDAD VIAL
1. Introducción
24
Nueva generación de materiales inteligentes…
MATERIALES AUTO-
REPARABLES
SENSITIVE MATERIALS
(SENSORIZACIÓN)MATERIALES PARA
SEGURIDAD VIAL
1. Introducción
25
Nueva generación de materiales inteligentes…
MATERIALES AUTO-
REPARABLES
ENERGY HARVESTING MATERIALS
(GENERACIÓN DE ENERGÍA)
SENSITIVE MATERIALS
(SENSORIZACIÓN)MATERIALES PARA
SEGURIDAD VIAL
1. Introducción
26
Nueva generación de materiales inteligentes…
MATERIALES AUTO-
REPARABLES
MATERIALES DE GUIADO DE
VEHÍCULOS
SENSITIVE MATERIALS
(SENSORIZACIÓN)
ENERGY HARVESTING MATERIALS
(GENERACIÓN DE ENERGÍA)
MATERIALES PARA
SEGURIDAD VIAL
1. Introducción
27
Nueva generación de materiales inteligentes…
MATERIALES AUTO-
REPARABLES
SISTEMAS DE COMUNICACIÓN
INTEGRADOS
SENSITIVE MATERIALS
(SENSORIZACIÓN)
MATERIALES DE GUIADO DE
VEHÍCULOS
ENERGY HARVESTING MATERIALS
(GENERACIÓN DE ENERGÍA)
MATERIALES PARA
SEGURIDAD VIAL
1. Introducción
28
Importante reto para el futuro… (que llegará más pronto que tarde, y si no empezamos ahora perderemos la oportunidad)
1. Introducción
29
Importante reto para el futuro… (que llegará más pronto que tarde, y si no empezamos ahora perderemos la oportunidad)
Los avances en los materiales han de ser poco invasivos
1. Introducción
30
Importante reto para el futuro… (que llegará más pronto que tarde, y si no empezamos ahora perderemos la oportunidad)
Los materiales han de ser fáciles de instalar y utilizar
Los avances en los materiales han de ser poco invasivos
1. Introducción
31
Importante reto para el futuro… (que llegará más pronto que tarde, y si no empezamos ahora perderemos la oportunidad)
Han de actuar de forma remota y a
voluntad
Los materiales han de ser fáciles de instalar y utilizar
Los avances en los materiales han de ser poco invasivos
1. Introducción
32
Importante reto para el futuro… (que llegará más pronto que tarde, y si no empezamos ahora perderemos la oportunidad)
…explotar la tecnología para hacer nuestras
carreteras más seguras y eficientes
Han de actuar de forma remota y a
voluntad
Los materiales han de ser fáciles de instalar y utilizar
Los avances en los materiales han de ser poco invasivos
1. Introducción
33
En este contexto…
Mechanomutable Asphalts
El Laboratorio de Ingeniería de la Construcción de la Universidad de Granada esta desarrollando un nuevo proyecto de investigación…
Laboratorio de Ingeniería de la Construcción
E.T.S.de Ingeniería de Caminos, C y P
Universidad de Granada
2. Nuevos Materiales: Mechanomutable Asphalts
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2. Nuevos Materiales
35
Los Mechanomutable Asphalts son capaces de modificar sus propiedades o transmitir información a través de la acción de campos magnéticos…
2. Nuevos Materiales
36
Antecedentes…
La concepción de esta nueva generación de materiales utiliza un concepto similar al aplicado en fluidos magneto-reológicos, utilizados en otros campos de la ciencia como la
medicina o la ingeniería aeroespacial…
Compuestos por una matriz aceitosa y partículas magnetizables dispersas, la
acción del campo magnético es capaz de incrementar su viscosidad y
modificar su comportamiento pasando de ser Newtoniano a visco-elástico.
Estos cambios se producen en ms y son completamente reversibles
2. Nuevos Materiales
37
Mechanomutable Asphalts…
Los materiales asfálticos mecanomutables están compuestos por una matriz bituminosa la cual es modificada con nano y micro partículas magnetizables homogéneamente distribuidas…
Polvo de hierro carbonilo con geometría
esférica y un tamaño entre 0.5 μm y 3 μm
2. Nuevos Materiales
38
Mechanomutable Asphalts…
…que pueden ser activadas en mayor o menor medida
mediante la acción de diferentes intensidades de campo
magnético
Los materiales asfálticos mecanomutables están compuestos por una matriz bituminosa la cual es modificada con nano y micro partículas magnetizables homogéneamente distribuidas…
2. Nuevos Materiales
39
Análisis del comportamiento mecánico…
Estudio de la respuesta mecánica mediante un magneto reómetro, provisto de una bobina que permite inducir un campo magnético variable de entre 0 y 430 mT
ENSAYOS DE BARRIDO DE FRECUENCIA A DIFERENTES TEMPERATURAS (35, 45, 55, 65 y 75 °C)
2. Nuevos Materiales
40
Análisis del comportamiento mecánico…
2. Nuevos Materiales
41
Análisis del comportamiento mecánico…
Ángulos de fase altos y
módulos bajos… Materiales
viscosos/ensayados a elevadas
temperaturas
2. Nuevos Materiales
42
Análisis del comportamiento mecánico…
Ángulos de fase altos y
módulos bajos… Materiales
viscosos/ensayados a elevadas
temperaturas
Menores ángulos de fase y
mayores módulos… Materiales
más elásticos/ensayados a
menores temperaturas
2. Nuevos Materiales
43
Análisis del comportamiento mecánico…
2. Nuevos Materiales
44
Análisis del comportamiento mecánico…
2. Nuevos Materiales
45
Análisis del comportamiento mecánico…
Disminución del ángulo de
fase… RESPUESTA MÁS
ELÁSTICA ante las mismas
condiciones
2. Nuevos Materiales
46
Análisis del comportamiento mecánico…
Disminución del ángulo de
fase… RESPUESTA MÁS
ELÁSTICA ante las mismas
condiciones
Incremento considerable
del módulo… MAYOR
CONSISTENCIA
2. Nuevos Materiales
47
Análisis del comportamiento mecánico…
2. Nuevos Materiales
48
Análisis del comportamiento mecánico…
2. Nuevos Materiales
49
Análisis del comportamiento mecánico…
2. Nuevos Materiales
50
Análisis del comportamiento mecánico…
Disminución del ángulo de
fase de hasta el 80% a
elevadas temperaturas y del
20% a bajas
Incrementos del módulo
de hasta 80 veces más
a elevadas temp. Y de 2
veces más a bajas…
Posibilidad de modificar considerablemente la respuesta mecánica de
los materiales, especialmente a elevadas temperaturas
2. Nuevos Materiales
51
Análisis del comportamiento mecánico…
2. Nuevos Materiales
52
Análisis del comportamiento mecánico…
2. Nuevos Materiales
53
Análisis del comportamiento mecánico…
2. Nuevos Materiales
54
Análisis del comportamiento mecánico…
2. Nuevos Materiales
55
Análisis del comportamiento mecánico…
2. Nuevos Materiales
56
Análisis del comportamiento mecánico…
2. Nuevos Materiales
57
Análisis del comportamiento mecánico…
Disminución del ángulo de
fase del 20-30% e incremento
del módulo entre 1.5 y 3 veces
Disminución del ángulo
de fase del 30-80% e
incremento del módulo
entre 1.5 y 18 veces
El tipo de matriz bituminosa utilizada y la concentración de partículas influyen en la
respuesta mecánica… Posibilidad de diseñar MATERIALES MECANOMUTABLES a la carta
2. Nuevos Materiales
58
Análisis del comportamiento mecánico…
2. Nuevos Materiales
59
Análisis del comportamiento mecánico…
Ligantes tipo B50/70 pueden comportarse como betunes de alto módulo,
independientemente de la temperatura de servicio
2. Nuevos Materiales
60
Análisis del comportamiento mecánico…
Partiendo de matrices de alto módulo, pueden conseguirse ligantes con
una capacidad portante muy elevada
2. Nuevos Materiales
61
Análisis del comportamiento mecánico…
Dado que las cargas de tráfico son cíclicas, con periodos de descanso entre ellas y actúan en intervalos de tiempo muy cortos, es necesario analizar los ligantes mecanomutables
bajo estas consideraciones…
El campo magnético es aplicado
únicamente en el instante en el que está soportando la
carga, y después desaparece hasta que no pase otra
nueva
2. Nuevos Materiales
62
Análisis del comportamiento mecánico…
Ensayo de tipo “creep and recovery” a 60 ⁰C, en el que se aplicaron 30 ciclos de carga consecutivos con una tensión sobre el material durante 1 segundo y posteriormente se
deja un periodo de descanso de 9 segundos…
2. Nuevos Materiales
63
Análisis del comportamiento mecánico…
Disminución de
la deformación
en un 34%
Disminución de
la deformación
en un 42%
La activación del ligante reduce las deformaciones plásticas acumuladas
por el material. Conforme se incrementa el contenido de partículas, mayor
es su resistencia
2. Nuevos Materiales
64
Análisis del comportamiento mecánico…
El empleo de matrices bituminosas más duras y el mayor contenido de
partículas, incrementa la resistencia a las deformaciones plásticas
Disminución de
la deformación
en un 26%
Disminución de
la deformación
en un 74%
2. Nuevos Materiales
65
Análisis del comportamiento mecánico…
2. Nuevos Materiales
66
Análisis del comportamiento mecánico…
2. Nuevos Materiales
67
Análisis del comportamiento mecánico…
2. Nuevos Materiales
68
Análisis del comportamiento mecánico…
2. Nuevos Materiales
69
Análisis del comportamiento mecánico…
2. Nuevos Materiales
70
Análisis del comportamiento mecánico…
2. Nuevos Materiales
71
Otras aplicaciones…
Materiales Auto-
Reparables
2. Nuevos Materiales
Otras aplicaciones…
Materiales Auto-
Reparables
2. Nuevos Materiales
73
Otras aplicaciones…
Materiales Auto-
Reparables
2. Nuevos Materiales
74
Otras aplicaciones…
Materiales Auto-
Reparables
2. Nuevos Materiales
75
Otras aplicaciones…
Materiales Auto-
Reparables
2. Nuevos Materiales
76
Otras aplicaciones…
Materiales Auto-
Reparables
2. Nuevos Materiales
77
Otras aplicaciones…
Materiales Auto-
Reparables
2. Nuevos Materiales
78
Otras aplicaciones…
Materiales Auto-
Reparables
2. Nuevos Materiales
79
Otras aplicaciones…
Incremento de
capacidad portante
2. Nuevos Materiales
80
Otras aplicaciones…
Incremento de
capacidad portante
2. Nuevos Materiales
81
Otras aplicaciones…
Incremento de
capacidad portante
2. Nuevos Materiales
82
Otras aplicaciones…
Incremento de
capacidad portante
2. Nuevos Materiales
83
Otras aplicaciones…
Sistemas Anti-hielo
2. Nuevos Materiales
84
Otras aplicaciones…
Sistemas Anti-hielo
2. Nuevos Materiales
85
Otras aplicaciones…
Sistemas Anti-hielo
2. Nuevos Materiales
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C P U
Otras aplicaciones…
Sistemas Auto-guiado
de vehículos/ Mejora
de Seguridad Vial
2. Nuevos Materiales
87
C P U
80
Otras aplicaciones…
Sistemas Auto-guiado
de vehículos/ Mejora
de Seguridad Vial
2. Nuevos Materiales
88
C P U
80
C P U
Otras aplicaciones…
Sistemas Auto-guiado
de vehículos/ Mejora
de Seguridad Vial
80
2. Nuevos Materiales
89
C P U
Otras aplicaciones…
Sistemas Auto-guiado
de vehículos/ Mejora
de Seguridad Vial
80
2. Nuevos Materiales
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C P UReducir la Velocidad
Otras aplicaciones…
Sistemas Auto-guiado
de vehículos/ Mejora
de Seguridad Vial
2. Nuevos Materiales
91
Otras aplicaciones…
Sistemas Auto-guiado
de vehículos/ Mejora
de Seguridad Vial
2. Nuevos Materiales
92
Otras aplicaciones…
0 10 20 30 40 50 60 70 80
1,0002
1,0008
1,0014
time [ms]
No
rma
lize
d s
ign
al
12a
132a
123a
111a
102a
81b
51a
43a
31a
21a
62a
62B
All data
Normalized
Sistemas Auto-guiado
de vehículos/ Mejora
de Seguridad Vial
Laboratorio de Ingeniería de la Construcción
E.T.S.de Ingeniería de Caminos, C y P
Universidad de Granada
3. Próximos pasos LabIC.UGR
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A lo largo de los años las carreteras han ido evolucionando…
CARRETERAS de 1ª GENERACIÓN: Las calzadas y caminos
CARRETERAS de 2ª GENERACIÓN: Los caminos asfaltados
CARRETERAS de 3ª GENERACIÓN: Las autovías
CARRETERAS de 4ª GENERACIÓN: Las autovías sostenibles
CARRETERAS de 5ª GENERACIÓN: Las autovías sostenibles e inteligentes
3. Próximos pasos
3. Próximos pasos
95
Proyectos LabIC.UGR …
CARRETERAS de 4ª GENERACIÓN: Las autovías sostenibles
CARRETERAS de 5ª GENERACIÓN: Las autovías sostenibles e inteligentes
• MECHANOMUTABLE ASPHALTS
• SMARTI: Sustainable Multi-functional AutomatedResilient Transport Infrastructures
• NARESPAV: Materiales Nano-modificados Resilientes, Sostenibles e Inteligentes para Pavimentos del Futuro
• UGRASPHENER: University of Granada Asphalt-Graphene Research
• Pinturas para la mejora de la sostenibilidad y la seguridad vial
• Firmes Asfálticos para Temperaturas Extremas
• Desarrollo de Pavimentos Reciclados de Larga Duración
• Desarrollo de técnicas avanzadas sostenibles para la rehabilitación de pavimentos de carretera
• Soluciones de Pavimentación Ecológicamente sostenibles
• Estudio del Comportamiento Mecánico de Ligantes y Mezclas Bituminosas Modificadas con PNFU
• Estudio de la resistencia a fisuración de mezclas bituminosas fabricadas con PNFU
• Desarrollo de mezclas bituminosas sostenibles
3. Próximos pasos
96
Proyectos LabIC.UGR …
CARRETERAS de 4ª GENERACIÓN: Las autovías sostenibles
CARRETERAS de 5ª GENERACIÓN: Las autovías sostenibles e inteligentes
• Firmes Asfálticos para Temperaturas Extremas
• Desarrollo de Pavimentos Reciclados de Larga Duración
• Desarrollo de técnicas avanzadas sostenibles para la rehabilitación de pavimentos de carretera
• Soluciones de Pavimentación Ecológicamente sostenibles
• Estudio del Comportamiento Mecánico de Ligantes y Mezclas Bituminosas Modificadas con PNFU
• Estudio de la resistencia a fisuración de mezclas bituminosas fabricadas con PNFU
• Desarrollo de mezclas bituminosas sostenibles
• MECHANOMUTABLE ASPHALTS
• SMARTI: Sustainable Multi-functional AutomatedResilient Transport Infrastructures
• NARESPAV: Materiales Nano-modificados Resilientes, Sostenibles e Inteligentes para Pavimentos del Futuro
• UGRASPHENER: University of Granada Asphalt-Graphene Research
• Pinturas para la mejora de la sostenibilidad y la seguridad vial
3. Próximos pasos
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SMARTI: Sustainable Multi-functional Automated ResilientTransport Infrastructures
• Aplicación de tecnología de Nanosensores para pavimentos de carretera para el conteo de vehículos, la detección de vehículos sobrecargados, o la evaluación del estado de degradación del firme
• Pavimentos de carretera capaces de capturar la energía solar o producir energía a partir del paso de los vehículos
• Sistemas de fibra óptica para la monitorización de pavimentos
• Sistemas de monitorización vía satélite de infraestructuras
3. Próximos pasos
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NARESPAV: Materiales Nano-modificados Resilientes, Sostenibles e Inteligentes para Pavimentos del Futuro
• Diseño y fabricación de ligantes bituminosos resilientes con propiedades químicas mejoradas
• Estudio de la aplicación de nano-partículas en el betún para inducir procesos de reversión de daño
• Estudio de nuevos aditivos sostenibles rejuvencedores y procesos de liberación gradual durante la vida de servicio del ligante bituminoso
3. Próximos pasos
99
UGRASPHENER: University of Granada Asphalt-Graphene Research
Análisis del comportamiento mecánico de ligantesbituminosos modificados con grafeno
3. Próximos pasos
100
Pinturas para la mejora de la sostenibilidad y la seguridad vial
Estudio de pinturas acrílicas al agua y su efecto en la respuesta del pavimento desde el punto de vista de la seguridad vial
Laboratorio de Ingeniería de la Construcción
E.T.S.de Ingeniería de Caminos, C y P
Universidad de Granada
4. Conclusiones
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4. Conclusiones
102
- Las carreteras son un eje fundamental de nuestra sociedad, y por ello es necesariodesarrollar nuevos materiales inteligentes adaptados a sus futuras necesidades.
- Los nuevos materiales asfálticos mecanomutables desarrollados por el LabIC.UGRpermiten concebir pavimentos asfálticos inteligentes capaces de modificar suspropiedades mecánicas, adaptándose a cargas excesivamente elevadas o reduciendolas deformaciones sufridas bajo carga cíclica.
- Estos nuevos materiales abren las puertas a un nuevo campo de investigación en elámbito de los materiales bituminosos, con múltiples aplicaciones potenciales:incremento de resistencia, sensorización, posicionamiento, auto-reparables,disminución del impacto de los agentes climáticos (deshielo), etc.
- A pesar de que es necesario seguir trabajando para implementar tecnologíassostenibles (mezclas de baja temperatura, el uso del RAP, PNFU, etc.), es hora deempezar a desarrollar los materiales del futuro para la carretera (sensores, sistemasde captación de energía, grafeno, etc.).
Laboratorio de Ingeniería de la Construcción
E.T.S.de Ingeniería de Caminos, C y P
Universidad de Granada
MUCHAS GRACIAS POR SU ATENCIÓN
Fernando Moreno Navarro
Dr. Ingeniero de Caminos, C y P
Subdirector LabIC.UGR
ETSICCP. Universidad de Granada
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